РЕНДЕРИНГ КАК КОМПОНЕНТ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ преимуществ и недостатков способов рендеринга, также трассировки лучей и пути, включая преимущества и недостатки каждого из разновидностей рендеринга.

Ключевые слова: рендеринг, растеризация, трассировка лучей, трассировка пути, артефакты, графический процессор.

Введение

Рендеринг является фундаментальным компонентом компьютерной графики. Он преобразует трехмерную модель в изображение, которое мы видим на экране. Также данный процесс, лежит в основе создания фильмов, игр, дизайна и проведения научных исследований.

В начале исследований рендеринга ученые пытались решить основные проблемы, такие как определение видимости объектов с заданной точки зрения. По мере того, как были найдены эффективные решения этих проблем, рендеринг стал включать в себя идеи из различных областей, таких как физика, астрофизика, астрономия, биология, психология и математика.

Рассмотрим один из способов рендеринга.

Растеризация

В методе растеризации (rasterization) код предписывает графическому процессору нарисовать 3D-сцену с использованием полигонов. Они представляют собой двухмерные фигуры (треугольники, квадраты) , которые составляют большую часть визуальных элементов, отображаемых на экране. После отрисовки сцены она преобразуется или «растрируется» в отдельные пиксели, которые затем обрабатываются специальным шейдером. Шейдер добавляет цвета, текстуры и световые эффекты попиксельно для создания полностью визуализированного кадра. Эту технику можно повторять примерно 30–60 раз в секунду, чтобы получить визуальные эффекты со скоростью 30 или 60 кадров в секунду. Растеризация работает на графических процессорах и в сочетании с алгоритмами затенения позволяет играм работать очень быстро.

Однако, есть и недостатки растеризации. Данная техника может привести к появлению артефактов, таких как шум на краях объектов (aliasing) и шум на текстурах (moiré). Также они могут возникать из-за ограничений алгоритма рендеринга, недостаточной детализации модели или текстур, а также из-за ограничений аппаратного обеспечения. Артефакты могут быть особенно заметны в темных сценах или в сценах со сложной геометрией.

Влияние трассировки лучей и пути на рендеринг

Трассировка лучей

Трассировка лучей (ray tracing) — это техника, которая берет свое начало в производстве линз, и ее принципы были описаны Карлом Фридрихом Гауссом еще в XIX веке. Она основана на том, чтобы проследить путь луча света через сцену, учитывая его взаимодействие с объектами, а также поглощение и отражение.

Любая система трассировки лучей должна учитывать как минимум пять ключевых элементов:

Во-первых, камеру, которая определяет, как и откуда сцена просматривается, и как изображение сцены записывается на матрицу камеры. Камера генерирует лучи обзора, которые затем прослеживаются в сцене, чтобы определить, какие объекты видны в каждом направлении.

Во-вторых, пересечение луча и объекта. Система должна точно знать, где луч пересекается с геометрическим объектом сцены, и определить свойства объекта в точке пересечения, такие как нормаль к поверхности или материал.

В-третьих, источники света. Система должна моделировать распределение света по всей сцене, включая расположение источников света и распространение излучаемой энергии в пространстве.

В-четвертых, видимость. Система должна знать, существует ли непрерывный путь от точки на поверхности до источника света, чтобы понять, доставляет ли данный источник света энергию к точке на поверхности.

В-пятых, распространение лучей. Необходимо понимать, что происходит со светом, движущимся вдоль луча, когда он проходит сквозь некоторое пространство.

Недостатками техники трассировки лучей являются:

1. Высокая вычислительная сложность.
2. Сложность моделирования объемных сцен.
3. Ограничения в моделировании материалов.
4. Проблемы с шумами и артефактами.
5. Ограничения в реальном времени.
6. Необходимость в высококачественных моделях объекта.

Трассировка пути

Трассировка пути (path tracing) — это алгоритм рендеринга, аналогичный трассировке лучей, при котором лучи исходят из виртуальной камеры и отслеживаются через моделируемую сцену. Трассировка пути использует случайные выборки для постепенного расчета окончательного изображения. Процесс случайной выборки позволяет отобразить некоторые сложные явления, которые не охватываются обычной трассировкой лучей, но для создания высококачественного изображения трассировки пути обычно требуется больше времени.

При трассировке пути лучи случайным образом распределяются внутри каждого пикселя в камере, и при каждом пересечении с объектом сцены генерируется новый отражающий луч, указывающий в случайном направлении. После определенного количества отражений каждый луч в конечном итоге покидает сцену или поглощается. Когда луч заканчивает обходить сцену, значение выборки рассчитывается на основе объектов, от которых луч отразился. Значение выборки добавляется к среднему значению исходного пикселя.

Выборки в изображении с трассировкой пути равномерно распределяются по всем пикселям. Цвет каждого пикселя представляет собой среднее значение всех образцов, рассчитанных для этого пикселя.

Случайные компоненты в трассировке пути делают визуализированное изображение с шумами. Шумы уменьшаются со временем по мере того, как вычисляется все больше и больше выборок.

Решающим фактором качества рендеринга является количество выборок на пиксель (SPP). Чем выше значение SPP в визуализированном изображении, тем меньше шума вы заметите. Однако дополнительное качество каждого образца снижается по мере того, как много образцов изображения вы имеете.

Пример изображения космонавта представлен на рисунке 1. Три различных изображения с использованием трассировки пути, трассировки лучей и растеризации.

Рисунок 1. Трассировка пути, лучей и растеризация

Заключение

На данный момент существует много видов рендеринга, и каждый из них направлен на различную детализацию изображений.

Растеризация, трассировка лучей и пути являются разными способами рендеринга, и каждый из них по-разному может детализировать одно изображение.

Трассировки лучей и пути не являются неотъемлемыми частями растеризации, но они могут быть использованы в сочетании с ней, для создания более реалистичных и качественных изображений. Для достижения высокого качества рендеринга необходимо найти баланс между вычислительной точностью и ограничениями аппаратного обеспечения.

В будущем ожидается развитие технологий рендеринга и растеризации, что позволит создавать еще более реалистичные и детализированные компьютерные изображения. Кроме того, ожидается рост популярности использования рендеринга и растеризации в различных областях, включая виртуальную реальность и искусственный интеллект.

Список литературы:

1. Фарр М. Рендеринг на основе законов физики / М. Фарр, В. Джейкоб, Г. Хамфрис пер. с англ. И. Л. Люско. – М.: ДМК Пресс, 2023. – 1208 с.